第一章 电力系统概述

1、供配电技术石栋华石栋华太原理工大学信息工程学院自动化系太原理工大学信息工程学院自动化系电能是一种清洁的二次能源。由于电能不仅电能是一种清洁的二次能源。由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度便于控制、管理和调度,易于实现自动化。因此，易于实现自动化。因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。活的各个方面。 绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，电力工业已成为我国实现现代化的基础，得到迅电力工业已成为我国实现现代化的基础，

2、得到迅猛发展。到猛发展。到2003年底，我国发电机装机容量达年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第亿度，居世界第2位。工业用电量已占全部用电量的位。工业用电量已占全部用电量的5070%，是，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是企业所需电能的供应和分配。是企业所需电能的供应和分配。第一章第一章 概概 述述 电力系统电力系统发电厂、变电所、电力线路和电能发电厂、变电所、电力线路和电能用户组成的一个整体。用户组成的一个整体。 1.1电力系统何供配电系统概述电力系统何供配电系统概述1.1.1 电力

3、系统电力系统电能的生产电能的生产供用电环节供用电环节变压变压输配电输配电使用使用 发电厂：发电厂：将一次能源转换成电能。根据一次能源将一次能源转换成电能。根据一次能源的不同，有火力发电厂、水力发电厂和核能发电的不同，有火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂，此外，还有风力发电厂、地热发电厂和潮汐厂，此外，还有风力发电厂、地热发电厂和潮汐发电厂等。发电厂等。发电厂发电厂火力发电厂火力发电厂原子能发电厂原子能发电厂水力发电厂水力发电厂风力发电厂风力发电厂地热发电厂地热发电厂潮汐发电厂潮汐发电厂1.1电力系统何供配电系统概述电力系统何供配电系统概述1.1.1 电力系统电力系统 变电所：变电所：受电能、变

4、换电压和分配电能。受电能、变换电压和分配电能。1.1电力系统何供配电系统概述电力系统何供配电系统概述1.1.1 电力系统电力系统 电力线路：电力线路：将发电厂、变电所和电能用户将发电厂、变电所和电能用户联接起来，完成输送电能和分配电能的任联接起来，完成输送电能和分配电能的任务。务。 电能用户：电能用户：所有消耗电能的用电设备或用所有消耗电能的用电设备或用电单位称为电能用户。电单位称为电能用户。电力系统示意图电力系统示意图6.320kv升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器高压输电线路高压输电线路降压变压器降压变压器从发电厂到用户的发、输、配电过程从发电厂到用户的发、输、配电过程 供配电系统供

5、配电系统由总降变电所、高压配电所、配由总降变电所、高压配电所、配电线路、车间变电所和用电设备组成。电线路、车间变电所和用电设备组成。 总降变电所总降变电所HSS (head step-down substation)是企业电能供应的枢纽。它将是企业电能供应的枢纽。它将 35kV 110kV 的的外部供电电源电压降为外部供电电源电压降为 6 10kV 高压配电电压，高压配电电压，供给高压配电所、车间变电所和高压用电设备。供给高压配电所、车间变电所和高压用电设备。 高压配电所高压配电所HDS (high voltage distrobution substation)集中接受集中接受 6 10kV

6、 电压，再分配到电压，再分配到附近各车间变电所和高压用电设备。一般负荷分附近各车间变电所和高压用电设备。一般负荷分散、厂区大的大型企业设置高压配电所。散、厂区大的大型企业设置高压配电所。1.1.2供配电系统供配电系统结构框图供配电系统结构框图 配电线路配电线路分为分为 6 10kV 厂内高压配电线路和厂内高压配电线路和 380/220V 厂内低压配电线路。高压配电线路将总厂内低压配电线路。高压配电线路将总降变电所与高压配电所、车间变电所和高压用电降变电所与高压配电所、车间变电所和高压用电设备联接起来。低压配电线路将车间变电所的设备联接起来。低压配电线路将车间变电所的 380/220V 电压送各

7、低压用电设备。电压送各低压用电设备。 车间变电所车间变电所STS (shop transformer substation)将将 6 10kV 电压降为电压降为 380/220V 电压，供低压电压，供低压用电设备用。用电设备用。 用电设备用电设备按用途可分为动力用电设备、工艺用电按用途可分为动力用电设备、工艺用电设备、电热用电设备、试验用电设备和照明用电设备、电热用电设备、试验用电设备和照明用电设备等。设备等。 1.1.2供配电系统供配电的基本要求是：供配电的基本要求是： （1）安全）安全 在电能的供应、分配和使用中，不在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。应发生人身事故和设

8、备事故。 （2）可靠）可靠 应满足用电设备对供电可靠性的要应满足用电设备对供电可靠性的要求。求。 （3）优质）优质 应满足用电设备对电压和频率等供应满足用电设备对电压和频率等供电质量的要求。电质量的要求。 （4）经济）经济 供配电应尽量做到投资省，年运行供配电应尽量做到投资省，年运行费低，尽可能减少有色金属消耗量和电能损耗，费低，尽可能减少有色金属消耗量和电能损耗，提高电能利用率。提高电能利用率。 1.1.3供配电的要求和课程任务 本课程的任务：本课程的任务： 讲述供配电系统电能供应和分配的基本知识和理讲述供配电系统电能供应和分配的基本知识和理论，使学生掌握供配电系统的设计和计算方法，论，使学

9、生掌握供配电系统的设计和计算方法，管理和运行技能，为学生今后从事供配电技术工管理和运行技能，为学生今后从事供配电技术工作奠定基础。作奠定基础。 1.1.3供配电的要求和课程任务 电力系统的额定电压包括电力系统中各种发电、电力系统的额定电压包括电力系统中各种发电、供电、用电设备的额定电压。供电、用电设备的额定电压。 额定电压是能使电气设备长期运行在经济效果最额定电压是能使电气设备长期运行在经济效果最好的电压，它是国家根据国民经济发展的需要、好的电压，它是国家根据国民经济发展的需要、电力工业的水平和发展趋势，经全面技术经济分电力工业的水平和发展趋势，经全面技术经济分行后确定的。行后确定的。 1.2

10、 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 1、电网（线路）额定电压、电网（线路）额定电压 Un 电网（线路）的额定电压只能选用国家规定的额电网（线路）的额定电压只能选用国家规定的额定电压。定电压。 低压低压 380V,660V 1140V 高压高压 （3kV），），6kV，10kV，35kV，（，（66kV），），110kV，220kV，（，（330kV），），500kV 1.2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 2、用电设备的额定电压、用电设备的额定电压 当线路输送电力负荷时，要产生电压降，沿线路当线路输送电力负荷时，要产生电压降，沿线路的电压分布通常是首端高于末端，如图的电压分布通常是首

11、端高于末端，如图1-4所示。所示。用电设备的额定电压与同级电网的额定电压相同。用电设备的额定电压与同级电网的额定电压相同。 1.2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 3、发电机的额定电压、发电机的额定电压 由于用电设备的电压偏移为由于用电设备的电压偏移为5，而线路的允许，而线路的允许电压降为电压降为10，这就要求线路首端电压为额定，这就要求线路首端电压为额定电压的电压的105，末端电压为额定电压的，末端电压为额定电压的95，因，因此，发电机的额定电压为线路额定电压的此，发电机的额定电压为线路额定电压的105 UNGG=1.05UN 1.2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 4、电压变压

12、器的额定电压、电压变压器的额定电压 （1）升压变压器）升压变压器 变压器一次绕组接电源，相当于用电设备。与发变压器一次绕组接电源，相当于用电设备。与发电机直接相连的升压变压器的一次绕组的额定电电机直接相连的升压变压器的一次绕组的额定电压应与发电机额定电压相同。压应与发电机额定电压相同。 U1N=UNGGG=1.05UN 1.2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 变压器二次绕组的额定电压应比相连线路的额定变压器二次绕组的额定电压应比相连线路的额定电压高电压高10。 U2N=1.1UN （2）降压变压器）降压变压器 连接在线路上的降压变压器相当于用电设备，一连接在线路上的降压变压器相当于用电设

13、备，一次绕组的额定电压应与线路的额定电压相同。次绕组的额定电压应与线路的额定电压相同。 U1N=UN 二次绕组向负荷供电，相当于发电机。二次绕组向负荷供电，相当于发电机。 U2N=1.05UN 10kV及以下及以下 U2N=1.1UN 35kV及以下及以下 1.2 电力系统的额定电压电力系统的额定电压 例例1-1已知图示系统中线路的额定电压，求发电机已知图示系统中线路的额定电压，求发电机和变压器的额定电压。和变压器的额定电压。 解：解：G: UNG=1.05UN1L=1.056=6.3kV 1T: U1N1T=UNG=6.3kV U2N1T=1.1UN1L=1.1X110=121kV 1.2

14、电力系统的额定电压电力系统的额定电压 1T的额定电压为的额定电压为6.3/121kV 2T: U1N2T=UN1L=110kV U2N2T=1.1UN2L=1.1X10=10.5kV 1T的额定电压为的额定电压为110/10.5kV 1.2 电力系统的额定电电力系统的额定电 压压 电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。中性点的运行方式有电机的中性点。中性点的运行方式有3种：中性点种：中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点直接接地系统。点直接接地系统。 三相系统的中性点运行方式取决于单相

15、接地时三相系统的中性点运行方式取决于单相接地时电气设备绝缘要求及对供电可靠性的要求。电气设备绝缘要求及对供电可靠性的要求。1.3电力系统中性点运行方式 110kV及以上和及以上和1kV以下低压系统：以下低压系统： 采用中性点直接接地运行方式采用中性点直接接地运行方式 363kV系统：系统： 采用中性点不接地运行方式采用中性点不接地运行方式 310kV和和20 63kV系统：系统： 采用经消弧线圈接地采用经消弧线圈接地 运行方式运行方式 380V系统：系统： 采用中性点直接接地采用中性点直接接地1.3电力系统中性点运行方式1.正常运行正常运行 三相线电压对称三相线电压对称 三相相电压对称三相相电

16、压对称 三相对地电容电流对称三相对地电容电流对称 1.3.1中性点不接地的电力系统中性点不接地的电力系统 2.单相接地：单相接地：C相接地相接地 接地相对地电压为零接地相对地电压为零 非接地相对地电压上升为线电压非接地相对地电压上升为线电压 三相线电压仍对称三相线电压仍对称 接地相对地电容电流为零接地相对地电容电流为零 非接地相对地电容电流增大非接地相对地电容电流增大 倍倍 接地电流为正常电容电流的接地电流为正常电容电流的3倍倍 1.3.1中性点不接地的电力系统中性点不接地的电力系统 Ic的估算 UN系统额定电压kV Loh系统架空线总长度km Lcab系统电缆总长度km 中性点不接地电力系统

17、发生单相接地时，线电压仍然对称平衡，因此，三相用电设备仍然可以继续运行。但为了防止非接地相再有一相发生接地，造成两相短路，所以，规定单相接地继续运行时间不得超过2小时。 1.3.1中性点不接地的电力系统中性点不接地的电力系统 当中性点不接地系统的单相接地电流超过规定值当中性点不接地系统的单相接地电流超过规定值时，为了避免产生断续电弧，引起过电压和造成时，为了避免产生断续电弧，引起过电压和造成短路，减小接地电弧电流使电弧容易熄灭，中性短路，减小接地电弧电流使电弧容易熄灭，中性点应经消弧线圈接地。消弧线圈实际上就是电抗点应经消弧线圈接地。消弧线圈实际上就是电抗线圈。线圈。 1.3.2 中性点经消弧

18、线圈接地中性点经消弧线圈接地的电力系统的电力系统 1.正常运行正常运行 同同“中性不接地系统中性不接地系统” 2.单相接地单相接地 当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时，当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流和流过消弧线流过接地点的电流是接地电容电流和流过消弧线圈的电感电流的相量和。由于圈的电感电流的相量和。由于Ic超前超前Uc90, IL滞滞后后UL90,两电流相抵消后，使流过接地点的电流两电流相抵消后，使流过接地点的电流减小。减小。 1.3.2 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地的电力系统的电力系统消弧线圈对电容电流的补偿有3种： 全补偿ILIc

19、 欠补偿ILIc 过补偿ILIc 实际上都采用过补偿，以防止由于全补偿引起的电流谐振，从而损坏设备或欠补偿由于部分线路断开造成全补偿。 1.3.2 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地的电力系统的电力系统 中性点直接接地系统发生单相接地时，通中性点直接接地系统发生单相接地时，通过接地中性点形成单相短路，产生很大的过接地中性点形成单相短路，产生很大的短路电流，继电器保护动作，切除故障线短路电流，继电器保护动作，切除故障线路，是系统的其他部分恢复正常运行。路，是系统的其他部分恢复正常运行。 1.3.3中性点直接接地的中性点直接接地的 电力系统电力系统 由于中性点直接接地，发生单相短路时，中性点

20、由于中性点直接接地，发生单相短路时，中性点对地电压仍为零，非接地相对地电压不发生变化。对地电压仍为零，非接地相对地电压不发生变化。单相接地即单相短路，保护装置动作跳闸。单相接地即单相短路，保护装置动作跳闸。 1.3.3中性点直接接地的中性点直接接地的 电力系统电力系统 电能的质量指标是指电压质量、频率质量和供电电能的质量指标是指电压质量、频率质量和供电可靠性可靠性3项指标。项指标。 1.4.1 电压质量标准电压质量标准 电压质量是以电压偏离额定电压的幅度、电压波电压质量是以电压偏离额定电压的幅度、电压波动与闪变和电压波形来衡量。动与闪变和电压波形来衡量。 1. 电压偏差电压偏差 电压偏差是以电

21、压偏离额定电压的幅度，一般以电压偏差是以电压偏离额定电压的幅度，一般以百分数表示，即百分数表示，即 式中，式中，V%为电压偏差百分数，为电压偏差百分数，U为实际电压，为实际电压，UN为额定电压。为额定电压。 1.4电能的质量指标电能的质量指标 1.4.1 电压质量标准电压质量标准 2. 电压波动和闪变电压波动和闪变 电压波动是指电压的急剧变化。电压变化的速率电压波动是指电压的急剧变化。电压变化的速率大于每秒大于每秒1%的即为电压急剧变化。电压波动程度的即为电压急剧变化。电压波动程度以电压最大值与最小值之差或其百分数表示，即以电压最大值与最小值之差或其百分数表示，即 U=Umax-Umin （1

22、-5) U%= (1-6) 式中，式中，U为电压波动；为电压波动；U%为电压波动百分数；为电压波动百分数；Umax、Umin为电压波动的最大值和最小值为电压波动的最大值和最小值（kV）；）；UN为额定电压（为额定电压（kV）。）。Umax-Umin UN 1.4.1 电压质量标准电压质量标准 3.电压波形电压波形 波形的质量是以正弦电压波形畸变率来衡量的。波形的质量是以正弦电压波形畸变率来衡量的。 在理想情况下，电压波形为正弦波，但电力系统在理想情况下，电压波形为正弦波，但电力系统中有大量非线性负荷，使电压波形发生畸变，除中有大量非线性负荷，使电压波形发生畸变，除基波外，还有各项谐波。表基波外

23、，还有各项谐波。表1-5是我国规定的公用是我国规定的公用电网电压波形畸变率。电网电压波形畸变率。 1.4.2 频率质量指标频率质量指标频率的质量是以频率偏差来衡量。我国采用的额频率的质量是以频率偏差来衡量。我国采用的额定频率为定频率为50Hz频率的允许偏差见表频率的允许偏差见表1-6。 1.4.2 频率质量指标频率质量指标 1.4.3 供电的可靠性供电的可靠性 供电可靠性是以对用户停电的时间及次数来衡量。供电可靠性是以对用户停电的时间及次数来衡量。它常用供电可靠率表示，即实际供电时间与统计它常用供电可靠率表示，即实际供电时间与统计期全部时间的比值的百分数表示，期全部时间的比值的百分数表示， K

24、rel= 100% Ty=Ts-TtTt= 式中：式中：Ty为统计期实际供电时间之和（为统计期实际供电时间之和（h）；）；Ts为统计期全部时间（为统计期全部时间（h）；）；Tt为统计期内停电时间为统计期内停电时间之和（之和（h）；）；ti为统计期内每次停电时间（为统计期内每次停电时间（h）；）；TwTt 1.4.3 供电的可靠性供电的可靠性 电能的质量指标电能的质量指标 1. 35kV及以上及以上 电压正负偏差绝对值之和不超过电压正负偏差绝对值之和不超过 10% 10kV及以上及以上 电压正负偏差偏差电压正负偏差偏差7% 220kV及以上及以上 电压正负偏差电压正负偏差+7%.-10% 电动机

25、电动机 电压正负偏差电压正负偏差5% 2. 频率：频率：500.2HZ 3.波形：正弦波畸变率波形：正弦波畸变率 1.4.3 供电的可靠性供电的可靠性我国将电力负荷按其对供电可靠性的要求及中断供我国将电力负荷按其对供电可靠性的要求及中断供电在政治上、经济上造成的损失或影响的程度划电在政治上、经济上造成的损失或影响的程度划分为三级。分为三级。 1一级负荷一级负荷 1)一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；2)中中断供电将在政治上、经济上造成重大损失者，如断供电将在政治上、经济上造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产重大设备损坏、重大产品报废

26、、用重要原料生产的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续性的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续性生产过程被打乱而需要长时间恢复等；生产过程被打乱而需要长时间恢复等；3)中断供中断供电将有重大政治、经济影响的用电单位的正常工电将有重大政治、经济影响的用电单位的正常工作的负荷者。作的负荷者。1.5电力负荷电力负荷 在一般负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和在一般负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，称为特别重要的负荷。中断供电的负荷，称为特别重要的负荷。 一级负荷应由两个独立电源供电。一级负荷应由

27、两个独立电源供电。 1.5.1 按对供电可靠性要求的按对供电可靠性要求的负荷分类负荷分类 2二级负荷二级负荷 1)二级负荷为中断供电将在政治上、经济上造成二级负荷为中断供电将在政治上、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废，较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废，连续性生产过程被打乱需较长时间才能恢复，重连续性生产过程被打乱需较长时间才能恢复，重点企业大量减产等；点企业大量减产等；2)中断供电系统将影响重要中断供电系统将影响重要用电单位正常工作的负荷者；用电单位正常工作的负荷者；3)中断供电将造成中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要公大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要公共场所秩序混乱者。共场所秩序混乱者。 二级负荷应由两回线路供电，供电变压器亦应有二级负荷应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台。两台。 1.5.1 按对供电可靠性要求的按对供电可靠性要求的负荷分类负荷分类 3三级负荷三级负荷 三级负荷为不属于一级和二级负荷者。对一些非三级负荷为不属于一级和二级负荷者。对一些非连续性生产的中小型企业，停电仅影响产量或造连续性生产的中小型企业，停电仅影响产量或造成少量产品报废的用电